Válvulas Electronicas de Transmisión

8/6/2019 Vlvulas Electronicas de Transmisin

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Transmisin de TelevisinVlvulas electrnicas de Transmisin

Constantino Prez Vega - 2004

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5VALVULASELECTRONICASDETRANSMISIONIntroduccinActualmenteparece abundar la opinin de que las vlvulas o tubos electrnicos son yapiezasde

museo

y

no

se

utilizan.

Efectivamente,

los

tipos

de

vlvulas

para

manejo

de

seales

a

potencias

pequeasqueseutilizaronextensamenteentodosloscircuitoselectrnicoshastaeladvenimientode

los transistoresyotrosdispositivosdeestadoslido,handejadodeusarseporcompletoy,aunque

vuelvenautilizarseenalgunoscasosaisladoscomociertosamplificadoresdesonido,puedeafirmarse

que efectivamente no encuentran aplicacin en casi ningn equipo profesional o de consumo. Sin

embargo, hay numerosas aplicaciones en la vida cotidiana que pasan desapercibidas y en que las

vlvulas electrnicas continan desempeando un papel muy importante. Baste mencionar

nicamentedosaplicaciones:lostubosderayoscatdicosqueconstituyenlapantalladetelevisoresy

monitoresdecomputadorayloshornosdemicroondas.

Ensistemasdecomunicaciones,ciertotipodevlvulascontinanemplendoseampliamente,sinque

se

vislumbre

un

futuro

cercano

en

que

puedan

ser

substituidas

por

componentes

de

estado

slido.

Entreellas, los tubosdeondaprogresiva (TWT)en losamplificadoresde los transpondedoresde la

mayorade lossatlites, losmagnetronesutilizadosextensamenteenradaresy losdiversostiposde

tubosamplificadoresdepotenciaenlostransmisoresderadioytelevisin.Enlosterrenoscientfico,

industrialymdico lasvlvulaselectrnicasseemplean,porejemplo,enaceleradoresdepartculas,

radares,sistemasdecalentamientoindustrialyaparatosderayosX.

El estudio de los dispositivos electrnicos al vaco, salvo casos aislados, ha sido prcticamente

eliminado de la mayora de los planes de estudio actuales y la mayor parte de los estudiantes

desconocen por completo tanto los principios fsicos como las aplicaciones actuales de estos

dispositivos.Porello,esconvenientededicar,aunquesloseade formadescriptivayrelativamente

superficial,

un

breve

tiempo

al

estudio

de

las

vlvulas

amplificadoras

de

potencia

en

uso

en

transmisoresderadioytelevisin.

Los retos tcnicosque aque se enfrenta eldiseode transmisores,desdeque se inici el servicio

regular de televisin hasta nuestros das no han cambiado significativamente. Tales retos, no

pequeos, han tenido como objetivos principales la obtencin de elevadas potencias, mayores

frecuenciasdeoperacin,reduccindedefectosen lasealtransmitidaymayoreficienciaglobal.El

logrodeestosobjetivosnoes sencillo,yaquecon frecuencia,algunosdeellos se contraponen.Por

ejemplo,elfuncionamientoafrecuenciasmsaltassepuedeobtener,generalmente,aexpensasdela

potenciay,paraundispositivoactivoespecfico,lamejoradelarespuestaenfrecuenciaafindeque

seaplanaenlabandadepaso,sepuedeobteneraexpensasdelaeficiencia.Todoslosdesarrollosque

se

han

logrado,

hasta

hace

poco,

han

tenido

que

ver

bsicamente,

con

el

mismo

tipo

de

seal

analgica

de televisin.Sinembargo,en laactualidad seplantea lanecesidaddemantenerelequilibrioenel

umbral de un cambio tecnolgico, que alterar totalmente la forma en que la industria de


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radiodifusinrealizasuactividadcomercial.Setrata,porsupuesto,delatelevisindigital,incluyendo

ladealtadefinicin.

Las consecuencias de este cambio tendrn efectos similares en los pases desarrollados, e

impredeciblesenlospasesenvasdedesarrollo,enquelascondicionessocialesyeconmicashacenquelatelevisin,sibienextendidaaprcticamentetodoslosestratossociales,seatodavaunlujocuya

obtencin, en el estado actual de la tecnologa analgica, requiere de sacrificios econmicos

importantesdegranpartedelasociedaddeesospases.

Entantoqueenlospasesdesarrollados,enquelasociedadhaalcanzadounestadodebienestartal,

quepermitiraprcticamente todos loshabitantesaccedera la televisindigitalsinque lesresulte

onerosa la relativamente pequea inversin adicional que requerir la adquisicin de equipos

complementarios para la recepcin de seales digitales, las sociedades de los pases en vas de

desarrollotendrnmayoresdificultadesenaccederaestosnuevosservicios.Esto,sinconsiderarque,

en lospases en que los sistemas de televisin son financiadosparcial o totalmentepor el estado,

generalmenteconpresupuestosexiguos,habrdificultadeseconmicasparaasumirelelevadocostoquerepresentalatransicindelosactualessistemasanalgicosadigitales.EntantoqueenlosEstados

Unidos seha fijadounplazodediez aospara extinguirpor completo los sistemas analgicosde

televisin y, probablemente en Europa se fije un plazo de diez a quince aos, difcilmente podr

hacerselomismoenelrestodelmundo.

Esnecesarioentenderque los sistemasde transmisindigitalparael futuroacortoplazo incluirn

muchoms que la televisin de alta definicin. Las aplicaciones en la industria de la televisin

comprenden transmisin por satlite, cable, fibra ptica,microondas punto a punto ymicroondas

paradistribucin,enmuchoscasosconcapacidad interactiva.Lasventajasde los sistemasdigitales

sobre los analgicos estn ampliamente estudiadas y puede recurrirse a un variado nmero de

tcnicasparaalcanzarunobjetivoespecfico.

La lgicaconvencional indicaqueun sistemadigital es,pordefinicin,deestado slidoyhasta la

exclusin de las vlvulas de vaco. Con respecto a los circuitos lgicos, de control, generacin y

procesadodeseal,lalgicaconvencionalescorrecta.Conrelacinaloscircuitosdealtapotenciala

situacin esdiscutible.LosMOSFETspueden considerarse como [interruptores proporcionales], lo

mismoque los tetrodos,klystronsyotrasvlvulasdedesarrollo reciente como losdiacrodosy los

IOTs.No hay nada intrnsecamente digital en un dispositivo amplificador de estado slido. Los

MOSFET han sido utilizados en transmisores analgicos mucho antes de que fuera factible el

desarrollodeequiposdetransmisindigital,yesconvenienteenfatizaralgunasdelascaractersticas

ms importantesde lossemiconductores,que loshacenatractivosen losequiposde transmisinde

televisin.Entreellaspuedenmencionarse:

Funcionamientoavoltajesbajosque reduce el riesgodearcos elctricosyofrece

ciertasventajasdesdeelpuntodevistadediseodelasfuentesdealimentacin.

Degradacin suave de la potencia en caso de fallos, gracias a la aplicacin de

redundanciaeneldiseodeloscircuitos.

Sistemasderefrigeracinmssimples,basadossiempreenaireforzado,queevitan

lanecesidaddeutilizarcondensadoresdevaporuotrosdispositivosdediseoy

mantenimientorelativamentemscomplejo.

Configuracionesdecircuitomseficientes,apesardesumayorcomplejidad.


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5.1 Conceptosfsicosrelacionadosconlasvlvulaselectrnicas.Una vlvula o tubo electrnico es un dispositivo compuesto por un cierto nmero de electrodos

contenidos en un recipiente al vaco. Aunque tambin existen vlvulas electrnicas de atmsfera

gaseosa,comovapordemercurio,nen,etc.,aqutrataremosnicamentelasdevaco.Lautilidaddelasvlvulasdevacoradicaensucapacidadparaconducircorrienteelctrica,cuyamagnitudpuede

controlarse por los voltajes aplicados a sus electrodos. La operacin de todos los tipos de tubos

electrnicos, como su nombre lo indica, depende del movimiento de electrones en su interior.

Repasaremosacontinuacinalgunasdefinicionesporsiacasosehanolvidado.

Electrnvolt(eV).Eslaenergaganadaporunelectrnaceleradoatravsdeunpotencialde1voltyequivalea1.61019J.

Potencial de excitacin. Es la energa, expresada en eV, que debe proporcionarse a un tomo omolculaparaproducirunatransicindeunestadodadoaotrodemayorenergainterna.

Potencialdeionizacin.Eslamenorenerga,expresadaeneV,quedebeproporcionarseauntomoomolculabien sea en estado normal o excitado, para liberar un electrn.Como todos lo tomos,

exceptoeldehidrgeno,tienenmsdeunelectrn,untomoomolculapuedetener,engeneral,ms

de un potencial de ionizacin. El primer potencial de ionizacin se refiere a la liberacin de un

electrndeuntomoomolculaenestadonormal.Elsegundopotencialde ionizacinseaplicaal

casodeliberarunelectrndeuntomoomolculaqueyahaperdidounelectrn,etc.Laionizacin

puede tambinproducirsepor la liberacindedosoms electrones simultneamente.Cuando los

potencialesde ionizacino excitacin se expresan en electrnvolts, indican elvoltajemnimoque

debeaplicarseentredoselectrodosparacausarlaionizacincomoresultadodelaaceleracindelos

electronesuotraspartculascargadas,debidoalcampoproducidoentreloselectrodos.

Ionizacin.Engeneral,unionesunapartculaelemental,oungrupodepartculas,concargaelctrica

totalpositivaonegativa.Lostomosomolculasquehanperdidoocapturadounoomselectrones

adquierenunacarganetapositivaonegativa,segnelcasoyconstituyeniones.Elcasomssimplees

un ion negativo, formado por un electrn libre. El proceso de ionizacin puede ocurrir en gases,

slidosolquidosypuedeocurrirpordiversascausasentrelasqueseencuentran:

a) Colisin de tomos omolculas con electrones, tomos omolculas excitadas u otros

iones.

b) Colisindetomosomolculasconfotones(efectofotoelctrico).

c) Radiacincsmica.

d) Altastemperaturasengasesovapores.

e) Accinqumica.

Unadelascausasmsimportantesdeionizacinenlostuboselectrnicoseslacolisindeelectrones

rpidos con tomos omolculas. Para que un electrn pueda ionizar a un tomo omolcula, su

energacinticadebeserporlomenos,igualalprimerpotencialdeionizacindeltomoomolcula

con la que choca. En gases o vapores tambin se produce ionizacin cuando sebombardean con

electronescuyaenergacorrespondealprimerpotencialdeexcitacin.

Cargadeespacio.Ungrupode cargas libre en el espacio constituyeuna cargade espacioo cargaespacial.

Si

la

carga

es

nicamente

de

un

signo

(+

o

),osi

un

signo

predomina

sobre

el

otro,

la

carga


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produceuncampoelectrostticoylarelacinentrelacarganetacontenidaenunciertovolumenyla

intensidaddelcampoelctricoproducidoestdadaporlaleydeGauss.

Elmovimientodeuna carga espacialda lugar auna corriente espacial, cuyadensidad es igual al

productodeladensidadvolumtricadecargaporlavelocidadnormalalrea.Convencionalmentesetomacomodireccindelacorrienteelctricaladelascargaspositivas.

Electroneslibresenmetales. Enlosmetales,loselectronesestn,porlogeneral,dbilmenteligadosalos tomos y, en slidos o lquidos,puedenpasar fcilmentedeun tomo aotro.Estos electrones

libresestnencontinuomovimientoen lamasametlicay,ancuandoenun instantedeterminado

puedanestarligadosdbilmenteauntomoparticular,enpromedionoexperimentanningunafuerza

en alguna direccin especfica. Son estos electrones libres quienes hacen posible la conduccin

elctricaenlosmetalesydesempeanunpapelfundamentalenlaemisintermoinica.

Cuando, como consecuencia de su movimiento aleatorio, un electrn se escapa de la superficie

metlica,induceenstaunacargaimagenpositivaquetiendeaatraerlodenuevoalinterior.Paraqueunelectrnpuedaefectivamenteescapardelmetaldebecederunapartedesuenergacinticapara

venceresafuerza.Estaenergacinticaquepierdeelelectrnparaalejarselosuficientedelosefectos

de la fuerza imagen sedesigna comofuncin de trabajoy esdistintaparadiferentesmateriales.Dehecholafuncindetrabajosedefinecomolaenergamnimanecesariaparaliberaraunelectrndel

niveldeFermi1delasuperficiedeunmetalhastaelinfinitoyseexpresaenelectrnvolts.EnlatablaI

sedanalgunosvaloresrepresentativosdelafuncindetrabajoeneVparavariosmetales.

TablaI.Funcindetrabajoenelectrnvoltsparadiversosmetales

Tungsteno 4.52

Platino 5.0Tantalio 4.1

Molibdeno 4.3

Plata 4.1

Bismuto 3.7

Hierro 3.7

Zinc 3.4

Aluminio 3.0

Calcio 3.4

Litio 2.35

Titanio 2.4

Carbn 4.5Cobre 4.0

Torio 3.0

Magnesio 2.7

Nquel 2.8

Sodio 1.82

Mercurio 4.4

Calcio 2.5

Bario 2.0

Tungstenotoriado 2.63

Oxidodenquel 0.5a1.5

1 El nivel de Fermi es el nivel de energa al que la funcin de distribucin estadstica de Fermi-Dirac, para un conjunto de

partculas es igual a . Tambin se designa como energa de Fermi.


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Potencial de contacto. Es la diferencia de potencial que se produce entre las superficies de dosmetales,bien seaen contactooconectadosa travsdeuncircuitoexternoyesconsecuenciade las

diferentes funciones de trabajode losmetales.Es aproximadamente igual a la diferencia entre lasfunciones de trabajo dividida por la carga electrnica. Como puede apreciarse de la tabla I, los

potencialesdecontactopuedenserdelordende1a4voltsyesnecesariotenerlasencuentacuando

los voltajes aplicados son pequeos o cuando se requiere gran precisin en el anlisis del

comportamientodeundispositivo.

Emisindeelectronesuotros ionesenslidos.Losslidos,y tambin los lquidos,puedenemitirelectronesoionesenalgunadelasformassiguientes:

a) Emisintermoinica.

b) Emisinfotoelctrica.

c) Emisinsecundaria.

d) Emisinporcampo.

e) Desintegracinradioactiva.

Emisintermoinica.EselprocesofundamentalenlasvlvulaselectrnicasylateoradelaemisindeelectronesporcuerposcalientessedebeenbuenaparteaRichardsonen1901ysebasa,enmuchos

aspectos,enlatermodinmicaylateoracinticadelosgases.Elcalorqueposeeunmetal,sesupone

consecuencia delmovimiento aleatorio demolculas, tomos y electrones.Como resultado de las

colisiones entre electrones, y entre stos y tomos o molculas, la velocidad y direccin de los

electronescambiacontinuamenteyhacequealgunosdeellos incidansobrelasuperficieinteriordel

metal.Si

la

magnitud

ydireccin

de

la

velocidad

de

algunos

electrones

es

tal

que

su

energa

cintica

sea igual omayor que la funcin de trabajo, estos electrones escaparn delmetal. El nmero de

electronesquealcanzanlasuperficieporunidaddetiempo,conunacomponentedevelocidadnormal

aaqullayconenergaigualomayoralafuncindetrabajo,esproporcionalalaporcindetodoslos

electrones libresenelmetalcon talesvelocidades.Atemperaturaambienteelnmerodeelectrones

queescapandeunmetalessumamentebajoynoesposibledetectarningunaemisinsignificativa.

Siaumenta la temperaturadelmetal,aumentatambinelnmerodeelectrones libres,suvelocidad

mediayportanto,suenergacintica.Laposibilidaddeescapardelasuperficiemetlicaaumentaen

consecuenciayesposibleobservar fenmenosdeemisin termoinicaa temperaturasdelordende

1000K.Sienunaampollaalvacosecolocaunsegundoelectrodoqueactecomocolectoronodo a

temperaturaambiente

y,

entre

ste

yel

emisor

octodo

se

conecta

externamente

un

galvanmetro,

en

laformaquesemuestraenlafigura1,sepuedemedirunapequeacorrienteentrelosdoselectrodos,

comoconsecuenciadeladifusindeelectronestrmicosenelinteriordelaampolla.Enelcircuitode

la figura 5.1 el ctodo es calentadoporun filamentoalimentadoporuna fuente externay entre el

nodoyelctodonoseaplicaningnvoltaje.


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Emisortermoinico(ctodo)

Colector(nodo)

Galvanmetro

Calefactor

Ampolla alvaco

Fig.5.1.Deteccindelaemisintermoinicasinaplicacin

devoltajealnodo(colector).

Loselectronesque lleganalnodovuelvenalctodoporelcircuitoexternoyevitanquesecargue

positivamente.Estoselectronessonsolamenteunapequeafraccindelosemitidosporelctodo,que

se mantienen en su cercana formando una nube electrnica. Este fenmeno fue observado

inicialmenteporEdisonyseledesignacomoefectoEdison.Siseaplicaunvoltajepositivoalnodo insertandouna fuenteenelcircuitoexternoenserieconel

galvanmetro,seproducirenelinteriordeltubouncampoelctricoqueatraermselectronesdela

cercanadelctodoy,porconsecuencia,lacorrientequeregistrarelgalvanmetrosermayor.Tales

elprincipiodeldiodo en elque se tienen solamentedos electrodos.Si se aumentagradualmente el

voltaje positivodel nodo, la corriente aumentarhasta un punto en queprcticamente todos loselectronesemitidosporelctodoemigrandestey soncapturadosporelnodo.Estacorriente se

designacomo corrientede saturacinyelvoltajedenodonecesarioparaalcanzarla,comovoltajedesaturacin.Lacorrientedesaturacindependedelatemperaturadelctodoydesufuncindetrabajo.

Solamente loselectronesconsuficienteenergacinticapuedenescapardelmetaldelctodo,por lo

quelaemisintermoinicadalugaraquesereduzcalaenergacinticadelosrestantestomosenel

metal y, por consecuencia, disminuye su temperatura. Por ello, el calentamiento del ctodo debe

mantenerse de forma continua para evitar que se reduzca la temperatura como resultado de la

emisin.

Unctodo,utilizadocomoemisortermoinicodebesatisfacerdosrequisitos:altaeficienciadeemisinyvidatillarga.Laeficienciaaltadeemisinseconsigueconmetalesdebajafuncindetrabajoyla

vidatil,manteniendo la temperaturadel ctodo suficientementealejadadelpuntode fusinode

evaporacindelmetal.

Efectos de la carga de espacio. La teora desarrollada por Richardson yDusham proporciona ladensidaddecorrienteelectrnicadebidaalaemisintermoinicacomo

Tk

W

s eTAJ

= 2 (5.1)

donde:Js =CorrientedeemisinenA/cm2.A =Constantequedependedelmaterialemisor,cuyovaloresdelordende2.


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T =Temperaturaenkelvins.

k = ConstantedeBoltzmann(1.381023J/K).

W = Funcindetrabajo.

b1 =Constantequedependedelanaturalezadelasuperficieemisorayquedauna

medidadeltrabajoquedeberealizarunelectrnparaescapardelasuperficieemisora.

Laecuacinanteriorasumequelaintensidaddecampoelctricoesceroenlasuperficiedelctodoy,

sisesuponeunmetalparaelqueA=2yW=1eV(1.61019J)setienelacurvamostradaenlafigura

3.2.

Fig.2.Densidaddecorrientedebidaalaemisintermoinica

enfuncindelatemperaturadelemisor

Convienenotarque la emisin termoinicano es significativapara temperaturas inferiores aunos1000K.Silafuncindetrabajodelmetalesmayora1eVlacurvasedesplazaaladerecha.

LaecuacindeRichardsonDushamasumeque la intensidaddecampoelctricoenlasuperficiedel

ctodoemisorescero.Siloselectronesseacumulanenelexteriordelctodoycercadesusuperficie,

forman una nube de carga negativa que puede desplazarse hacia un segundo electrodo positivo.

Comoconsecuenciade esedesplazamiento, las condicionesdelcampoelctricoen la superficiedel

ctodocambian.Langmuirencontrquesielvoltajeaplicadoalnodonoessuficientementealto,el

aumento indefinidode la temperaturadel ctodonoproduceunaumento indefinidode corriente,

sinoqueparacadavoltajeparticulardelnodosealcanzaunaregindesaturacin,comoseilustraen

lafigura5.3.

Richardson-Dusham

V2 > V1

Voltaje de nodo, V1

Temperatura

Corriente de nodo


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Fig.5.3.Saturacindelacorrientedenododebidaalefectodelacargadeespacio.

Seobtienencurvassimilaresparalacorrientedenodoenfuncindelvoltajedenodoatemperatura

constante

Tiposdectodos. Laemisintermoinicapuedeconseguirseyaseadirectamenteporun filamentocalentadopor laaccindeuna fuente externao, como se indica en la figura5.1, conun filamento

separadodel ctodoqueacta como fuentede calorpara ste.En elprimer caso enque elpropio

filamentoactacomoctodosedicequeeltuboesdecaldeodirecto.Enelsegundo,dondeelfilamentoyelctodosondoselementosdiferentes,lavlvulasedesignacomodecaldeoindirecto.lamayorpartedelasvlvulasutilizadasentransmisin,exceptoabajaspotencias,sondecaldeodirecto.

Losmetalespurosconbajafuncindetrabajo,talescomolosmetalesalcalinosoelcalcionopueden

utilizarsecomoemisoresyaqueseevaporana temperaturasa lasqueempiezaaobtenerseemisin

apreciable. Solamente dosmetales en estado puro, el tungsteno y el tantalio son adecuados para

utilizarsecomoemisores,sibieneltantalionoseutilizayaqueesmssensiblealaaccindelosgasesresidualesqueseproducenenelinteriordeltuboaconsecuenciadelaelevadatemperaturaytambin

sutemperaturadeevaporacinesinferioraladeltungsteno.

Segnsemencion,lasvlvulaselectrnicasparapotenciaspequeassuelenserdecaldeoindirecto,

enqueelctodoconsistedeuncilindroomanguitometlico,generalmentedenqueloaleacionesde

estemetalconotrosyunrevestimientodeunaovariascapasdeunamezcladecarbonatosdebarioy

estroncio.Estopermitealcanzarfuncionesdetrabajomuybajas,delordende0.5a1.5eVconloquese

consiguen elevadas eficiencias de emisin a temperaturas del orden de 1000K. En el interior del

ctodo,ysincontactoconl,seencuentraunfilamentocalefactorqueleproporcionalatemperatura

necesariadeemisin.Lastemperaturasdefuncionamientodelosctodosvandesdealrededorde1000

K para ctodos de xido cuya funcin de trabajo es del orden de 1 eV, hasta 2500 para los detungstenopuro,decaldeodirecto,confuncindetrabajode4.5eV.

Ancuandoelrecipientedelavlvulaestalaltovaco,nuncaesposiblelograrunvacototaldeaire

uotrosgases,por loquealgunosresiduosgaseosossuelenquedarocluidosen losmaterialesde los

electrodos.Lapresenciade cantidades significativasdegas en el interiordeun tubo electrnico lo

haceintil.As,lapresenciadeoxgenoreduceoanulalaemisinelectrnicaenlosctodosdexido,

aldarlugaraoxidacindelmetalactivooproducirdepsitosdeionespositivossobrelasuperficiedel

ctodo.Eldesarrollode puntoscalientes enelctodo,debidoainhomogeneidadesdelmaterialoa

calentamientonouniformees,tambin,unacausadedeteriorodelctodo.Enestospuntoscalientesla

temperatura aumenta y tambin la emisin, pudiendo dar lugar a efectos acumulativos que traen

comoconsecuencialadestruccindelctodo.

En lasvlvulasde caldeodirecto,parapotencias superioresaunos100w, seprefieren losctodos

(filamentos) de tungsteno o de una aleacin de tungsteno con pequeas cantidades de torio,

designadacomotungstenotoriado,conmenorfuncindetrabajoqueeltungstenooeltoriopuros.Emisinsecundaria.Ademsdelaemisintermoinicahaydostiposdeemisinqueintervienendemanera importante en el funcionamiento de los tubos electrnicos, con frecuencia con efectos

indeseables: la emisin secundaria y la emisin por campo. En algunos tubos, como los

multiplicadoreselectrnicos seaprovecha laemisin secundaria,peroenelcasode lasvlvulasde

transmisin,esgeneralmenteindeseable.


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Laemisinsecundariaseproducecuandounionountomoexcitadochocancontralasuperficiede

unslidoycausanlaexpulsindealgunoselectronessecundarios.Elnmerodeelectronessecundariosemitidosporcadaelectrnprimarioesfuncinnoslodelaenergacinticadelelectrnincidentey

delafuncindetrabajodelemisorsecundario,sinotambindelaenergatrmicainternadeste.La

cantidaddeelectronessecundariosaumentaconlavelocidaddeloselectronesprimarios.Laemisinsecundariapuedetenerefectosapreciablesenelfuncionamientodelostuboselectrnicosavoltajesde

aceleracininclusomuypequeos,delordende10volts.Avoltajesmsaltoslaemisinsecundaria

tiende a disminuir, posiblemente porque los electrones incidentes penetran ms en el slido y

transfierenlamayorpartedesuenergaaelectronesalejadosdelasuperficie.Loselectronesprimarios

pueden ser absorbidos, reflejados o dispersados por la superficie y el nmero de electrones

secundariosemitidosesmenorsielbombardeoesconionespositivosenlugardeelectrones.

Unodelosmejoresemisoressecundarioseselxidodecesio,parcialmentereducidosobreunabase

deplata.Paraenergasdeelectronesprimarioscomprendidasentreunos400y700eV,lasuperficiede

estematerialtieneunarelacindeemisinsecundariade10,esdecir,emitediezelectronesporcada

electrnprimario.

Elbombardeo con iones positivos tambin puede producir emisin secundaria, pero conmucho

menoreficienciaquesielbombardeoesconelectrones.Estosedebeaqueenelprocesodecolisin

entre un ion pesado y un electrn, slo puede impartirse al electrn una pequea fraccin de la

energadelion,anenunchoquefrontal.Finalmentehayquemencionarquetambinlosaisladores

puedenemitirelectronessecundarios.

Emisinporcampo.Loscamposelctricossobrelassuperficiesemisorasdeelectronestambintieneninfluenciaenlaemisin.Enestecasoelcampoelctrico,siesdelsignoadecuado,ejerceunainfluencia

extractora sobre los electrones cercanos a la superficie que tiende a arrancarlos de ella,

independientementedelatemperaturaalaqueseencuentredichasuperficie.Enelcasodelaemisintermoinica,loscampossobrelasuperficiedelctodotiendenaaumentarlaemisindeelectronespor

ste,mediantedosmecanismosprincipales.Sielcampoaplicadoesdbilomoderado,sereduce la

barrerade potencial en la superficiedel ctodo, lo que resulta en una reduccin de la funcinde

trabajoefectiva.EstefenmenoseconocecomoefectoSchottky.Silaintensidaddelcampoaplicadoalemisoreselevada,labarreradepotencialsereducelosuficiente

como para producir un efecto de tnel. Este fenmeno es muy importante en las vlvulas de

transmisinquefuncionanconpotencialeselevadosyrecibeelnombredeemisinporcampoytambinemisindectodofro. Enestetipodeemisinporcampointenso,loselectronesnonecesariamente

deben tener laenerganecesariaparacruzar labarreradepotencialdeterminadapor la funcinde

trabajo.Cualquierelectrnpuedeparticiparenelmecanismodetnelrelacionadoconlaemisindecampo intensoy,puestoqueenunmetalhayunagrancantidaddeelectronesdisponiblesparaeste

proceso,ancuando laprobabilidaddeescapeseamuypequea,puedenalcanzarsedensidadesde

corrientedeemisinelevadas.

An cuando en algunos dispositivos como elmicroscopio electrnico de emisin por campo este

efectoconstituyeunafuentetildeproduccindeelectrones,engeneralesunefectoindeseableque

resultadestructivoenelcasodelasvlvulaselectrnicas,yaquealarrancarliteralmenteloselectrones

delctodo,inclusoabajastemperaturas,provocasudestruccincomofuentedeemisintermoinica.


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5.2 DiodosLos diodos al vaco, empleados principalmente como rectificadores en fuentes de alimentacin,

prcticamente han dejado de utilizarse en los transmisores de radio y televisin y han sido

reemplazados completamente por diodos de estado slido, rectificadores controlados de silicio otiristores y triacs. Los principios de funcionamiento de los diodos al vaco se han descrito en las

secciones anteriores y su inters aqu, es nicamente esbozar los principios fundamentales de las

vlvulasdevaco.An cuandodesdeelpuntodevista tericoelestudiode losdiodosalvacoes

interesante,omitiremosaquuntratamientomsamplio.

5.3 TriodosLostriodossiguenutilizndoseextensamente,sobretodoenlasbandasdeLF(30a300KHz),MF(300

KHz a 3MHz) yHF u onda corta (3 a 30MHz). En radiodifusin sonora en FM y televisin se

prefierenlostetrodosuotrostiposdetuboscomoelklystronyelIOTquesetratarnmsadelante.

Sin embargo, el estudiode los triodos es importante para comprender el funcionamientode otrostiposdevlvulasmscomplejasyporello,seresumirnacontinuacinalgunasdesuspropiedadesy

caractersticasms importantes.Eltriodoesunavlvuladevacodetreselectrodosyfue inventada

porLeedeForestenlosEstadosUnidosenlasegundadcadadelsigloXX.

Enel triodo,ademsdelctodoy laplacase tieneun tercerelectrodoconstituidoporunarejillade

alambremuyfino,intercaladaentrelaplacayelctodoyfsicamentecercanaaste.Estarejadecontrolpuede tener diversas configuraciones;puede ser una hlice de alambre o un cilindro demalla de

alambreyanuncilindroslidoconunaperforacinparapermitirelpasodeloselectroneshaciala

placa.Elsmbolohabitualparaeltriodoeselqueseindicaenlafigura5.4.

Placa

Filamento

Ctodo

Reja decontrol

Figura5.4.Triodo

Sialarejadecontrolnoseleaplicaningnvoltajeosiselaconectadirectamentealctodo,lavlvula

secomportaigualqueundiodo.Sinembargosiseleaplicaunvoltajenegativorespectoalctodo,se

produciruncampoelctricoentrerejayctododesignoopuestoalcampoentreplacayctodo,que

seopondralpasodeloselectronesporlaregincercanaalarejayreducirlacorrientetotaldeplaca

respectoa laquese tendrasi larejanoestuvierapolarizada.Si,porelcontrario, larejasepolariza

positivamenterespectoalctodo,atraermselectronesde laregindecargadeespaciocercanaal

ctodoy aumentar la corrientedeplaca.Adems, al ser la rejapositiva, atraerunapartede los

electronesqueviajanhacialaplacayseestablecerunacorrienteelctricaenelcircuitoexternoentre

rejayctodo.Enlaprctica,conexcepcindelosamplificadoresquefuncionanenclaseC,elvoltaje

derejanoalcanzavalorespositivosylacorrientederejaescero.Enestascondicioneslaimpedancia

entrereja

yctodo

es

prcticamente

infinita.


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11

Curvasdeplaca. Sielvoltajederejasemantieneconstante,lacorrientedeplaca,alvariarelvoltajedeplaca, sigueunavariacin similara laque se tiene enundiodo.Ladiferencia en el triodo esque,

dependiendodelamagnituddelvoltajedereja,sernecesariomayorvoltajedeplacaparaconseguir

lamismacorrientedeplacacuandoelvoltajederejasehacemsnegativo.Enlafigura5.5semuestra

uncircuitoconelquepuedeobtenerselafamiliadecurvasdeplacaparauntriodo.Enestascurvassetrazan losvaloresdecorrientedeplacaparadiferentesvoltajesdeplaca,manteniendoconstanteel

voltajedereja.

A

V

VG

VBB

VG

Fig.5.5Circuitoparadeterminarlascurvascaractersticasdeuntriodo.

Sisemantieneelvoltajederejillaconstanteysevaraelvoltajedeplaca,seobtienencurvascomolas

mostradasen la figura5.6.Estascurvascorrespondenaun trodode losutilizadosactualmente en

amplificadoresdeaudioysedesignancomocurvasdevoltajederejaconstante..

Fig.5.6.Curvascaractersticasdeuntriodo6N1P

En el diseo de amplificadores de potencia esms comn utilizar las curvas de corriente deplacaconstantecomolasdelafigura5.7yquesonfuncindelosvoltajesderejayplaca.Seobserva,adems

delascurvasdecorrientedeplacatrazadasconlneascontinuas,selasdecorrientederejaconlneas

punteadas.La corrientede reja circulacuando suvoltaje espositivo con respectoalctodo, loque

ocurreenamplificadoresclaseCdurantecortosintervalosdelciclodelaseal.

Eltrododelafiguraesun3CX400A7,capazdefuncionarenlabandade30a500MHzaunapotencia

de salida dehasta 500W. El voltaje tpico de funcionamiento de placa es de 2KV. y la potencia

requeridaalaentradaesdeunos20W,porloquesugananciaesde25(14dB).


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Figura5.7.Caractersticasdeuntrododepotencia3CX400A7

Acausadelacercanadelarejaconelctodo,cualquiervariacinenelvoltajederejatieneunefecto

considerablementemayorsobrelacorrientedeplacaqueunavariacinigualenelvoltajedeplaca,lo

quehaceposiblelaamplificacindelvoltajedelassealesaplicadasenlareja.Sedefineunfactordeamplificacindeuntriodoy,engeneraldeotrostubosdevaco,comolarelacindecambiodelvoltaje

deplaca,vp,respectoalvoltajedereja,vg.

p

g

v

v

=

(5.2)

Otrosparmetrosdelostriodossonlaresistenciadeplaca(rp)ylatransconductancia(gm).Laresistenciadeplacarepresenta lavariacindelvoltajedeplacarespectoa lacorrientedeplaca, ip,manteniendo

constanteslosrestantesvoltajesdetuboysedefinecomo:

p

p

p

vr

i

=

(5.3)

Latransconductancia,oconductanciamutua,expresalavariacindelacorrientedeplacarespectoal

voltajedereja,manteniendoconstanteslosdemsvoltajes.Seexpresacomo:

p

m

g

ig

v

=

(5.4)

Delasexpresionesanteriorespuedeobtenerselarelacinsiguiente:

pm rg= (5.5)


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Neutralizacin. En los tubos de vaco estn presentes capacidades interelectrdicas e inductancias determinalqueconstituyenelementosdesignadoscomoparsitosyqueactan,entreotrascosas,como

elementosderealimentacinquedanlugaraoscilacionesparsitas.Enlostriodosesparticularmente

importante lacapacidad internaentre rejayplaca,yaqueconstituyeunelementodeacoplamiento

entre la salida y la entrada que, en las condiciones adecuadas de fase, es capaz de hacer que elamplificador entre en oscilacin. Este efecto es indeseable en un amplificador y es necesario

eliminarlo.Paraello,unatcnicahabitualesutilizarunareddedesacoplamientoentrelaentradayla

salidaque,confrecuencia,sereduceauncondensadorexternoconectadoentreplacayreja.

Aplicaciones de los triodos. En la actualidad los triodos se emplean casi nicamente enamplificadores de alta potenciadeRF, entendindose aqu, un tanto ambiguamente el trminode

altapotencia,comoaqullaspotenciassuperioresaunos500w.En losltimosaoshanvueltoa

encontraraplicacinenamplificadoresdeaudio,yaque losaudifilosencuentranmsagradableel

sonido obtenido con amplificadores a vlvulas que con los de estado slido. En la figura 5.8 se

muestranalgunosde los triodosdealtapotenciadediseoymanufacturareciente.Engeneraleste

tipodetubosseempleaenradiodifusinsonoraenlasbandasdefrecuenciasmedias(5401650KHz)yaltas(330MHz).EnlasbandasdeVHFyUHFporlogeneralseempleantetrodos.

Fig.5.8.Triodosdepotenciaparatransmisin(EnglishElectricValveCo.Ltd.)

5.4TetrodosUntetrodoesunavlvuladevacodecuatroelectrodosque,ademsdelctodo,larejadecontrolyla

placaincluyeunarejaadicionalentrelaplacaylarejadecontrol,alaquesedesignacomorejapantallayhabitualmenteseabreviacomoSG (screengrid).La formadeestarejaessimilara lade larejadecontrol,esdecir,unahliceounamallametlicafina.Elsmboloutilizadoparaeltetrodosemuestra

enlafigura5.9.


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Placa

Reja pantalla

Reja de control

Filamento

Ctodo

Fig.5.9.Smbolodeltetrodo

La reja pantalla o simplemente, pantalla, se introdujo originalmente para eliminar algunos de los

inconvenientes inherentes a los triodos, causados principalmente por la relativamente elevada

capacidadentrerejayplaca.Talesefectosson,primero,elefectoMiller,quehacequelacapacidadde

entrada de un triodo aumente con su ganancia y, segundo, la necesidad de neutralizar un triodo

sintonizadoparaevitarlarealimentacinatravsdelacapacidadrejaplaca,queproduceoscilaciones

indeseables.Puestoque larejapantalla formaunblindajeelectrostticoentre larejadecontroly la

placa,lacapacidadentreestosdoselectrodossereduceconsiderablemente,minimizandoaselefecto

Milleryeliminandolanecesidaddeneutralizacindelosamplificadorescontetrodossintonizadosa

frecuenciasbajasomoderadas.

Puestoque lapantalla constituyeunblindaje electrosttico entre el ctodoy laplaca, elvoltajede

placa tiene muy poco efecto sobre el gradiente de potencial en la superficie del ctodo y, por

consecuencia,muypocoefectosobrelacorrienteenlavlvula.Lapantallaporlogeneralfuncionacon

voltajespositivosquesesitanentre0.25y1.0delvoltajedeplaca.

Curvascaractersticasdelostetrodos. Lascurvascaractersticasde lacorrientedeplacarespectoalvoltajedeplacasemuestranenlafigura5.10.Segnaumentaelvoltajedeplacadesde0V,lacorriente

deplacaaumentainicialmente,peroluegoempiezaadisminuirenlazonaenqueelvoltajedeplacaes

ligeramente inferior aldepantalla. Esta caractersticade resistencia negativa esdebida a la emisinsecundariaenlaplaca.Esdecir,loselectronesquechocanconlaplacaprovocandesprendimientode

electronessecundariosdesta,que sonatradospor lapantallacuandosuvoltajeessuperioralde

placa.Avoltajesdeplacasuperioresaunos25Vlavelocidadadquiridaporloselectronesessuficiente

paraproduciremisinsecundariaen laplaca.As,paraunvoltajeconstantede larejadecontrol, la

corrientedeplacadisminuyealaumentarelvoltajedeplacay laresistenciadinmicade laplacaes

negativa,hastaqueelvoltajedeplacaesmayorqueeldepantalla.Estoseilustraenlagrficade la

figura5.11,enquesemuestralacorrientedepantallarespectoalvoltajedepantalla,paraunvoltaje

depantallaconstante,de65Vyconlarejadecontrola3V.

Tanprontoelvoltajedeplacaaumentasobreeldepantalla,loselectronessecundariosemitidosporla

placaqueregresanaellaaumentanconsiderablementey,avoltajesdeplacaligeramentesuperioresal

de pantalla, la corriente de pantalla disminuye considerablemente, como se puede apreciar en la

figura5.11.


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Fig.5.10.Curvascaractersticasdeuntetrodo

Fig.5.11.Caractersticadelacorrientedepantallarespectoalvoltajedeplaca.

Asuvez,larejapantallatambinemiteelectronessecundarios,comoconsecuenciadeloselectrones

quelleganaelladelaregindelctodoylarejadecontrol.Sinembargo,estoselectronessecundarios

contribuyenmuypocoalacorrientetotaldeplacayaquesunmeroesproporcionalmentemenory,

adems,porqueengeneralseemitendelladodelarejadecontrolynodeldelaplaca,demodoque

nosevenafectadosdirectamenteporelvoltajedeplaca.Delasfiguras5.10y5.11puedeinferirseque


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17

entregarencondicionestpicas, 220Wa15MHzavoltajesdefuncionamiento,UA=2KV,USG=400V,

UG1= 35V,conunacorrientedeplacadelordende50mA.

Fig.5.13.Curvascaractersticasdeplacadeuntetrodo

dehazdepotenciatipoGU13

Enlaregindevoltajedeplacabajoydecorrienteinyectadaconstanteydealtadensidad,lacargade

espacioentrelapantallaylaplacaessuficientementegrandecomoparareducirelpotencialaceroen

unplanoentrelapantallaylaplaca,formandounctodovirtualendichoplano.Enesascondiciones,elgradientedepotencialenelplanodelapantallaestalquesololoselectronesinyectadosconsuficiente

velocidadparavencerlafuerzadelcamponegativo,llegarnalaplacaytodoslosdemselectrones

regresarnhacia lapantallay sern,obien capturadospor ella,opasarna la reginde cargade

espacioentrelapantallayelctodo.Unaumentorelativamentepequeodelvoltajedeplacaproduce,

enlaregindelaizquierdadelascurvasdelafigura14,unaumentoconsiderabledelacorrientede

placa,yaqueelctodovirtualsedesplazahacialaplacasegnaumentaelvoltajedeplaca.

Cuandoelvoltajedeplacaaumentahastaunvalorenquelacorrientedeplacaesigualalacorriente

inyectada, la corrientedeplacayano aumenta,puestoque toda la corriente inyectada a la regin

pantallaplacavaapararaestaltima.Enestascondiciones,elaumentoenelvoltajedeplacayano

produceaumentode lacorrientedeplacayaque laaccindeblindajede lapantalla impidequeel

potencialdelaplacaalterelacorrientedectodoyelctodovirtualprcticamentehadesaparecido.

Debidoaquelapantallaestbienaisladadelctodoacausadesualineamientoconlarejadecontrol,

elnmerodeelectrones interceptadospor lapantalla esbajoy lacorrientedepantalla espequea

respecto a la corriente de placa, demodo que la linealidad de las curvas de la figura 14 permite

excursionesgrandesdesealconpocadistorsinyesto,aunadoalabajarelacinentrelascorrientes

depantallayplaca,permiteobteneraltaseficienciasenlostetrodosdehaz.


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18

Fig.5.14.Tetrododehaztipo465A

Enlafigura5.15semuestrauntetrododehazdeltipo4X250,capazdeentregarunapotenciadesalida

delordende350W.Estetipodevlvulasehausado,yanseempleaampliamenteenaplicacionesde

RF. La placa en la parte superior contiene numerosas aletas entre las que circula aire forzado,

suministradogeneralmenteporlaparteinferioratravsdeconductosadecuados.Lafinalidaddelas

aletasesaumentarlasuperficiederadiacindecalor.Laausenciadeventilacinforzadaenestetipo

detubos,dalugaralafusindelaplacaylaconsiguientedestruccindeltuboenpocosminutos.

Fig.5.15.Tetrododepotencia

Durante dcadas, lo tetrodos fueron mejorndose y se consiguieron tubos capaces de entregar

potenciassuperioresa20KWenUHFyaunquesugananciaesrelativamentebajaysuvidamediatil

delordende15000a20000horas,continanutilizndose,yaquesueficienciaesbuena

En la figura 5.14 se muestra un tetrodo de haz de potencia, tipo 4-

65A, en ampolla de vidrio al vaco. Este tipo de vlvula es capaz de

entregar 120 W a una frecuencia de 150 MHz, con una potencia de

entrada de 3 W.

El nodo o placa se conecta en la parte superior y puede apreciarse

la forma de la placa, similar a la mostrada en la figura 13. Los

electrodos restantes, ctodo, rejas de control y pantalla y electrodos

formadores del haz, se sitan en el espacio al interior de la placa y

se conectan a las patas en la parte inferior del tubo.

Este tipo de tubos es, en la actualidad, relativamente poco usado y,

principalmente para comunicaciones en HF y VHF, en las bandas

de radioaficionados. Los niveles de potencia de tubos como este

pueden alcanzarse fcilmente en la actualidad con dispositivos de

estado slido como los transistores VMOS, LDMOS y an

transistores bipolares.


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5.5 DiacrodosEldiacrodoesuntubodesarrolladoenlosltimosaos,quecomenzautilizarseentransmisoresde

televisinenlabandadeUHF,enradaresyaceleradoresdepartculasalrededorde1994.Suprincipio

de funcionamiento es,bsicamente, elmismo que el de un tetrodo de haz de potencia en que lacorrientedenodoesmoduladaporunvoltajedeRFaplicadoentreelctodoylarejadecontrol.En

lafigura5.16semuestraundiacrodousadoenamplificadorespotenciadetransmisoresdetelevisin

enUHF.Enlafigura17(a)setratadeuntuboenfriadoporaireyenla17(b)deunoenfriadoporagua

ovapor.

(a) (b)

Fig.5.16.Diacrodos.(a)Enfriadoporaire. (b)Enfriadoporvapor.

Laprincipaldiferenciaentreeldiacrodoyeltetrodoeslaposicindelaszonasactivaseneltubo,es

decir,suselectrodos:ctodo,rejadecontrol,rejapantallayplacaenloscircuitoscoaxialesresonantes,

loquedacomoresultadounamejoraenladistribucinde lacorrientereactivaenloselectrodosdel

tubo.Elcircuitodeltetrodoserealizademodoquequedeunnododecorrientealfinaldeuncircuito

deuncuartodelongituddeonda(/4).Eltetrodo,enunamplificador,espartedelcircuitoresonante

deuncuartootrescuartosde longituddeonda.Asimismo,susdimensionesgeomtricasjueganun

papelimportanteycondicionanlosvoltajesycorrientesdeRF.Lapotenciaqueentregauntetrodoes

elproductodelvoltajedeRFdeplacaylacorrientedenodoalafrecuenciafundamental.Elvoltaje

de nodo se limita a un mximo del orden de 30 KV y, por consecuencia, para conseguir un

rendimientoelevadoesnecesarioqueelctodotengaunreagrande3.

Elaumentodelreadelctodopuedeconseguirsededosformas:aumentandoeldimetrodelctodo

osualtura.Elaumentodeldimetrodelctodotienedosefectossobresusparmetroselctricos:

a) Disminucinde la frecuenciaderesonanciaenelmodoTE11.Siesta frecuenciaesmuy

cercanaa la frecuencianominaloa suprimerarmnico,esmuydifcil, sino imposible,

amortiguarlasoscilacionesparsitas.

3 G. Clerc, J.P. Ichac and C. Robert. A New Generation of Grided Tubes for Higher Power and Higher Frequencies. IEEE,

1998.

Fotografa cortesa de Thomson Tubes Electroniques


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b) Aumentodelascapacidadesparsitasdeltubo.

Alturadelctodo. Lareglaque,deacuerdoalaexperiencia,hasidoadoptadaporlosfabricantesdetubos,esnoexcedernunca1/16paralaalturadelctodoalamximafrecuenciadefuncionamientocuandoel tubooperaconunelevadociclode trabajo.Porejemplo,a80MHz, lamximaalturadel

ctodoserade234mm.Estaregladebeinterpretarse,yesdictada,porlasprdidasaRFgeneradasen

loselectrodosdeltubo,enparticular,larejapantalla.

Enelcircuitodesalida,enelespacioentrelarejapantallayelctodo,losvoltajesycorrientesdeRF

puedenexpresarsemediantelassiguientesecuaciones:

xRPxVxV Lsal == coscos)( max (5.6)

xsenZ

VJxI

c

= max)( (5.7)

Donde,=2/

x=Distanciadesdeelextremosuperiordeltubo.

RL=Impedanciadecargaalaqueestconectadoeltubo.

Vmax=Voltajesobreelejedeltuboenx=0.

ZC=Impedanciacaractersitcadelespacioentreelnodoylarejapantalla.

J =Constantequedependedelageometradeltuboydeltipodectodo.

Lasecuacionesanterioresmuestranquelasdistribucionesdecorrienteyvoltajeenelespacioentreelnodoylarejapantallanosonuniformesy,porconsecuencia,ladistribucindepotenciatampocoes

uniforme, tenindose la potenciamxima en la parte superior.De hecho, el diseo del diacrodo

combina en un tetrodo las capacidades y ventajas de una tecnologa avanzada con el concepto

desarrolladoporlaempresaRCAhacemuchosaos,ensustriodosdedobleterminacinymuyalta

potencia.

Eldiacrodoes,enrealidad,untetrododedobleterminacin,enelquelasvariacionesenlasprdidas

sonproporcionalesalcuadradode laalturadelctodo.Portanto,laideaesobtener lamismaaltura

equivalente del ctodo, poniendo en paralelo dos medios tetrodos. En tales condiciones, las

conexionesseduplicany,conuncircuitoadecuadodesalida,eldispositivopuedesintonizarseenun

circuitode/2conelmximovoltajedenodosituadoalamitaddelaparteactiva,demodoquelasprdidassonmnimas.Enlafigura5.17semuestralaestructurainternadeundiacrodoy,enla5.18,

lasdistribucionesdecorrienteyvoltajeenuntetrodoyundiacrodo.


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Fig.5.17.Estructurainternadeundiacrodo

Comoconsecuenciadeloanterior,conestetipodetubo,lalongitudmximaaceptableparaelctodo

no es de 1/16, sino de 1/8 y la potencia puede duplicarse, asumiendo que el punto de

funcionamientoseeligecuidadosamente.

Fig.5.18.Distribucindecorrienteyvoltajeenuntetrodoyundiacrodo

Porejemplo,entransmisindetelevisin,eltetrodoconmayorcapacidaddepotencia,fueelTH563

fabricado por Thomson, que poda entregar 30KW en amplificacin comn de vdeo y audio. El

diacrodoTH680,conunctododedoblealtura,escapazdeentregar60KWenamplificacincomn.

En otras aplicaciones en operacin pulsada, tal como se requiere en radares y aceleradores de

partculas,eldiacrodoTH526puedeentregarunapotenciapicode1600KWyelTH628,hasta3000

KW,conpotenciasefectivasde240y600KWrespectivamente.Lacorrientedeplacaenestostubos,

alcanzalos124AenelTH526y164AenelTH628.Lagananciatpicadeestostubosesdelordende

14dB.

5.5PentodosLas desventajas de los tetrodos convencionales se superan con los tetrodos de haz y, tambin,

agregandounatercerarejaentrelapantallaylaplaca,quesedesignacomorejasupresora.Lavlvulacontiene ahora cinco electrodos y de ah su nombre:pentodo. La reja supresora va generalmenteconectadaalctodooa tierray su funcin es ladeproduciruna regindebajopotencial entre la

Imagen cortesa de Thomson Tubes Electroniques


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pantalla,demaneraanlogaalaqueseconsigueconlasplacasformadorasdelhazenlostetrodos.En

otras palabras, la reja supresora da lugar a un ctodo virtual retornando a la placa los electrones

secundarios emitidos por ella y eliminando la regin de resistencia negativa. Adems, la reja

supresoraacta comounblindaje electrostticoadicionalentre laplacayel ctodo, reduciendo el

efectodelvoltajedeplacasobre lacorrientedectodo.Lascurvascaractersticasdeunpentodosonmuy similares a las de un tetrodo de haz en que, en la regin lineal, la corriente de placa es

prcticamenteindependientedelvoltajedesta.Enlaactualidadlospentodosyaprcticamentenose

utilizanenaplicacionesdeRF.Sinembargo,vuelvenaemplearseenamplificadoresdeaudio.En la

figura20semuestraunavlvuladeeste tipo,enque laconexinde laplacaserealizamedianteel

capuchnenlapartesuperiorylasrejasyctodoseconectanatravsdelaspatasenlaparteinferior.

Fig.5.19.Pentodo

5.6 KlystronsLos triodosytetrodosconvencionales,utilizadosextensamenteenamplificadoresdepotenciaen los

transmisoresde radioy televisin tienen limitacionesde funcionamientoa frecuencias superioresa

unos 500 MHz, a causa de los efectos de las capacidades interelectrdicas y a las inductanciasparsitasintrnsecasdesusterminales,ascomodeltiempodetrnsitodeloselectronesentrectodoy

nodo.Estaslimitacionesdieronlugaraldesarrollodetubosplanosoplanares,enqueloselectrodosse

conectan al exteriormediantediscos a finde reducir los efectosde las inductanciasy capacidades

parsitas, con lo que fue posible su empleo hasta frecuencias cercanas a 1 GHz. An as, las

limitaciones inherentes a la geometra de este tipo de tubos hacen que sean poco adecuados a

frecuenciassuperiores.Estomotiveldesarrollodeotrosdispositivosdevacoparaamplificacina

frecuenciasdemicroondas, en losque esposible reducir el tiempode trnsitoy los efectosde los

elementosparsitos.Entreellosseencuentranelmagnetrn,elklystronyeltubodeondaprogresiva(TOPo TWT). Los dos ltimos se designan como de haz lineal y sebasan en la interaccin de un hazelectrnicoconcamposelctricos,entantoqueelmagnetrnempleaotroprincipio.Enparticular,los

klystrons han encontrado amplia aplicacin a frecuencias a partir de unos 500 MHz, comoamplificadores de potencia en transmisores de televisin, transmisores demicroondas, radares y

aceleradores de partculas. En la dcada de 1990 se desarrollaron dos tipos de vlvulas

considerablementemseficientesquelostetrodosyquelosklystrons.Eldiacrodo,queesunavariante

del tetrodo segn se mencion en la seccin 4 y el tubo de salida inductiva o IOT, que puedeconsiderarsecomounavariantedelklystron.Estostubosestnreemplazandoelempleodetetrodosy

klystrons en los transmisoresdealtapotenciadediseo reciente.Researemosaqualgunasde las

principalescaractersticasdelklystron.

Elklystronesuntuboovlvulaalvaco,utilizadoenlageneracinyamplificacindesealesdemuy

altas frecuencias, inventadoporR.H.Varian en 1937.El funcionamientodel klystron, tanto como

osciladoro comoamplificador sebasaen lamodulacindevelocidadde los electronesdeunhaz,sometidosaaceleracionesyfrenadoscomoconsecuenciadelaaplicacindeunasealvariableenel


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tiempo. En la aplicacin como amplificador, la versinms simple del klystron es la de un tubo

electrnicoconvariascavidades,comoseilustraenlafigura5.20yenelquesedefinentresregiones:

ctodo, nodo y regiones o tubos de arrastre, deriva4 o de interaccin de RF, a las porciones

intermediasentrelascavidades.

Laporcinprincipaldeltubolaconstituyeunciertonmerodecavidadesresonantes,tresenlafigura,

delasqueunaeslacavidaddeentradaalaqueseaplicalasealdeRFyotra,ladesalida,delaque

seextraelasealamplificada.Entrestaspuedenlocalizarseunaomscavidadesintermedias,todas

ellasinterconectadasporseccionesdetubometlicodesignadascomotubosdearrastre.Lascavidadesresonantes se disean de forma que no propaguen energa electromagntica a la frecuencia de

funcionamientodeltubo,conloqueseconsigueungranaislamientoentrelascavidadesdeentraday

salidasinrecurriralempleodeatenuadoresenelinteriordelklystron,caractersticamuyimportante

ydeseableenlosamplificadoresdealtapotencia.

Haz Electrnico Tubo de arrastre

Can electrnico

Cavidad de entrada

Cavidad

intermedia

Cavidadde

salida

Colector

Anodo

Sealde

entrada

Sealde

salida

Imanes de

confinamiento delhazelectrnico

+

Ctodo

Fig.5.20.Esquemadeunklystrondetrescavidades

Enelcanelectrnicoseoriginaunhazdeelectrones,queesaceleradoa travsdeunaltovoltaje

aplicadoalnodoyque luegopasa a travsde los tubosdearrastre, frentea las cavidades,hasta

impactarenelcolector.Elcuerpoprincipaldeltubo,incluyendoelcolector,semantienegeneralmente

apotencialdetierra,entantoquealctodoyelectrodosdeenfoquedelhazqueconstituyenelcan

electrnico,selesaplicaunpotencialnegativoelevado,delordende 20a 30KV.

En la cercana del ctodo, un sistemade enfoque electrosttico confina el haz y lo dirige hacia el

interiordelprimertubodearrastre.Paramantenerelconfinamientodelhazenelinteriordeltubode

arrastre y evitar que se disperse hacia las paredes, se aplica un campo magntico axial. En un

procedimientode colimacin,designado como enfoquedeBrillouin, el confinamientodelhaz se

consigue hacindolo pasar a travs de una placamagntica, que acta como pantalla deblindaje

contra el campo magntico externo y evita sus efectos en la regin del can electrnico. La

4 Drift


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componentedelcampomagntico transversalen laaberturade laplacadeBrillouinproporcionaal

hazelectrnicounmovimientoderotacinsobresueje,queal interactuarconelcampomagntico

longitudinal(axial)alolargodeltubodearrastre,produceunafuerzacentrpetasobreloselectrones

delhaz, endireccin al ejedel tuboque,mediante el ajuste adecuadode la intensidaddel campo

magnticoaxial,actaanulandoalafuerzacentrfugadebidaalarepulsinproducidaporlacargadeespacioenelhazelectrnico.Conestemtodo,empleado tambinenaceleradoresdepartculas,es

posible confinar elhaz electrnico a lo largode trayectos grandes conmnima intercepcinde los

electronesdelhazpor lasparedesdel tubo.En losklystronsprcticos esta intercepcin representa

menosdel1%delhazelectrnico.Elnodocolectortiene,porlogeneral,formaescalonadaodentada,

paraaumentarelreadedisipacin trmicay reducir,adems, laposibilidaddeque loselectrones

secundariosproducidosporelimpactodelhazelectrnicosobreelnodo,regresenalinteriordeltubo

de arrastre. La alimentacin y extraccin de las seales en las cavidades puede hacersemediante

lneascoaxialesterminadasenlazosacopladosobienconguasdeonda.Enlafigura18seilustra,con

algomsdedetallelaestructurainternadeunklystrondetrescavidades.

En los klystrons de cavidadesmltiples o multicavidad, el haz electrnico es largo y requiere serenfocadoo confinadopara quemantengauna seccin transversalpequea a lo largodel tubo.En

tubospequeos,oenlosqueesimportantelainfluenciadecamposmagnticosparsitosoenquese

requierebajopeso,seutilizanlenteselectrostticas,peroenlamayoradelosklystronsseempleaun

campomagnticouniforme,paraleloalhazelectrnico.Entubosdealtapotencia(>5KW),lostubos

seinsertanenelinteriordeelectroimanestoroidalesparaconfinarelhazelectrnicoenelcentrodel

tubo.En lafigura5.21(a)semuestraunklystrondecuatrocavidades.Lascavidadeseneste tipode

tubonosoninternas,sinoqueseacoplanexternamente,comopuedeapreciarseenlafigura5.21(b).

Laszonasdeacoplamientode lascavidadescorrespondenalasporcionesblancasdeltubo,entanto

quelasseccionesmetlicasentrelascavidadescorrespondenalostubosdearrastre.

(a) (b)


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Fig.5.21.(a)Klystrondecuatrocavidades.Laparteinferiorcorrespondealctodoylasuperioral

colector.

(b)Klystrondecuatrocavidades,montadoenelcarroparasuinstalacineneltransmisor.

Seaprecianlascavidadesexternasylasbobinasdeconfinamientodelhaz,localizadasentrelascavidades.

Enlapartesuperiorsetieneelcolectoryelboilerocalderaparaelenfriamientodeltubo.

(FotografascortesadeEnglishElectricValveCo.Ltd.)

Conelfindedarunaideadelasdimensionesdelosklystrons,enlafigura5.22semuestraunklystron

del tipoutilizadoenaceleradoresdepartculas,capazdeentregarpotenciaspulsantesdelordende

megawatts.Elcilindrometlicoenlapartesuperioreselcaldernparaenfriarelcolectorconvapor.

FotocortesadeMarconiAppliedTechnologiesFig.5.22.Klystronutilizadoenaceleradoresdepartculas

Elhazelectrnicoqueemergedelcan,alcanzaunagranvelocidadcomoconsecuenciadelaelevada

diferenciadepotencialentrectodoynodo.Enlaprimeraregindeltubodearrastre,entreelctodo

ylaprimeracavidad,sloactaelcampoelctricouniformedebidoaestadiferenciadepotencial,por

loqueloselectronesenesaregintienenlamismavelocidad.Enlaregindeltubodearrastrefrentea

lacavidaddeentrada,alaqueseaplicalasealdeRF,elcampoelctricoesvariablee interacciona

conelhazelectrnico,acelerandoofrenandoaloselectronesqueentranaesaregincondensidady

velocidaduniformes.Porconsecuencia, loselectronesqueemergendeesaregintendrndiferentes

velocidades

y

formarn

grupos.

Este

proceso,

que

se

repite

en

la

regin

de

la

cavidad

intermedia

de

la

figura5.20,sedesignacomomodulacindevelocidad.Lamodulacindevelocidadenlascavidadesda


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26

lugar, despus de un recorrido suficiente por las secciones del tubo de arrastre libres de campo

variable,amodulacindedensidaddelhaz.Unaspecto importantedeesteprocesoesque, sielvoltajedeexcitacines suficientementegrande

como para superar las fuerzas debidas a la carga de espacio, los electrones acelerados puedenadelantar a los retrasados a lo largo de las secciones del tubo de arrastre, a una distancia que se

designa como distancia de cruce. Cuando esto ocurre, la corriente comienza a tener un contenidoapreciable de armnicos y se ha encontrado5 que el valor ptimo de la componente fundamental

ocurrea1.84vecesladistanciadecruce.

Los armnicos de la corriente son sorprendentemente grandes y alcanzan valores mximos a

distancias ligeramente inferioresdelparmetrodeagrupamiento,quecorrespondenadistanciasde

arrastre ms cortas, o a valores de excitacin menores que los de la distancia ptima de la

fundamental.

Extraccin de la energa. La energa se extrae en el espacio (gap) de la ltima cavidad y puedeexplicarsepor elhechodeque en elklystron, el campo elctricoaxialde la cavidadde salida estsometidoalaaccindeunaseriedegruposdeelectronesquelleganconunafrecuenciaexactamente

igualquelafrecuenciaderesonanciadelacavidad.Adems,lafasedelvoltajevariabledesalidaestal

que se opone almovimiento de los electrones a travs delgap, lo que significa que el campo es

desacelerador, alcanzandounvalormximo cuandoungrupode electronespasa a travsdelgap.

Mediociclodespus,elcampoproporcionamximaaceleracina loselectrones,peropuestoqueel

hazestformadoporgruposperidicos,seaceleranmenoselectronesdelosquesonfrenadosy,por

consecuencia,hayunflujonetodepotenciadelhazhaciaelcampode lacavidad.Estaenerga,que

puedeextraersemedianteunlazooespiraacoplada,obienatravsdeunaabertura(iris)seguidade

unaguadeonda,constituye lapotenciatildesalidadeltubo.Lacorrienteefectiva inducidaen la

cavidaddesalidaescasiigualalacomponentedelafundamentaldelacorrientedelhaz.

Enklystronsdedos cavidades, enquea laprimera se aplica la sealde entraday se extrae en la

segunda,lagananciadepotenciaproducidaporlainteraccinentreelhazelectrnicoylascavidades

esdeaproximadamente10dB.Cadacavidad intermediaadicionalsintonizadaa la frecuenciade la

seal,aumenta lagananciadelklystrondelordende20dB6.Estascavidades intermediasno estn

acopladasexternamenteentresysonexcitadasporelhazdecorrientedeRFque,asuvez,remodula

la velocidaddel haz. En klystronsde cuatro cavidadespueden conseguirse ganancias depotencia

hastade60dB.Para lograranchosdebandagrandes,comoenelcasode televisin,algunasde las

cavidadesestndesintonizadasligeramenteenformaescalonada.Enestascondiciones,elaumentoen

lagananciaselograaexpensasdereducirlaganancia.

Para aumentar la eficienciade funcionamientodelklystrondedos cavidades, esnecesario agregar

mscavidadesy,adems,desintonizarlapenltimacavidad,demodoquesufrecuenciaderesonancia

seamayorque lade funcionamiento, esdecir, sintonizar lacavidaddel lado altode labanda..Estotienecomoconsecuenciaunamoderadareduccinen laganancia,peromejoraconsiderablemente la

eficiencia.

5 Davis, D.C. Vacuum Tubes. Cap. 9 de Electronics Designers Handbook. Ed. L. J. Giacoletto. McGraw Hill Book Co.

19776 Nelson, Richard, B. Klystrons. en Electronics Engineers Handbook. D. G. Fink y D. Christiansen, Editores. McGraw

Hill Book Co. 1982.


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27

5.7Klystrondecolectorescalonado7Unade lasdesventajasdel klystron convencional es que elhaz electrnico de alta velocidad, al

impactarenelcolectordisipaunagrancantidaddeenergaquesepierdeenformadecalor.Estoda

como resultadouna eficiencia relativamentebajay,porotraparte,obliga a extraer rpidamente elcalorgeneradoenelcolector.Conelfindereduciresteproblemayaumentarlaeficienciadeltubo,se

desarrollelklystrondecolectorescalonado,enqueelcolectorenlugardeformaruncuerponico,se

constituyeporvariasestructurasanulares,aisladasentres,a lasqueseaplicanvoltajesescalonados

crecientesnegativamente,comoseilustraenlafigura19.

Loselectronesmslentossoncapturadosporelanillocolectormscercanoalcuerpodeltubo,cuyo

potencialesmximorespectoalctodo,entantoqueloselectronesmsrpidossonfrenadosporlos

voltajes escalonadosde los anillos colectores siguientes e impactan en estos,demodoque losque

llegana laporcinfinaldelcolector lohacencon,relativamente,bajavelocidad.Comoresultadode

esta accin, la energa disipada en el colector esmenor que en un klystron convencional y, por

consecuencia, la eficiencia es mayor. Sin embargo una desventaja de los klystrons de colectorescalonado es la posibilidad de que ocurran arcos entre los anillos del colector, que deben estar

aislados entre s, a poca distancia entre ellos y con diferencias de potencial muy grandes. Esta

situacinpuededarsetambinenlareginentreelnodoyelctodonosloenestetipodeklystrons,

sino tambin en losklystrons convencionales.La consecuenciade estos arcospuededar lugar a la

destruccindeltubo,enelsentidodequequede intilparasufuncin.Ladestruccinnotieneque

sernecesariamentepor implosino fusinde losmaterialesdel tubo,yaquebastanicamenteque

ocurraunapequeaperforacinenelmetalolacermicadelcuerpodeltuboparaquestepierdael

vacoyquedeintil.

Fig.19.Klystrondecolectorescalonado.

(Fuente:M.Skolnik.RadarHandbook,2ndEd.McGrawHill,1990)7 El trmino en ingls es depressed collector klystron


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DadoqueelcostodelosklystronsyotrostubosdepotenciacomolosdiacrodosylosIOTseselevado,

los fabricantes suelen garantizarlas por un mnimo de horas de funcionamiento, generalmente

superiora 20,000, siempreque lamanipulacinde lavlvulay susparmetrosde funcionamientocumplan con las normas y valores especificados por el fabricante que en tales condiciones, suele

garantizar lareposicindel tubo.Ladestruccindeun tuboporperforacindelcuerpocermicoo

deteriorode los selloscermicametal,engeneralnosera imputableaunposiblemalajustede los

parmetrosdefuncionamiento(corrientesyvoltajesde loselectrodos),sinoquemuyprobablemente

seracausadapordeficienciasestructuralesenelpropio tubo,bienseaporpequeosdefectosenel

materialcermicooenlosselloscermicametalduranteelprocesodefabricacin.Encualquiercaso

laprobabilidaddeocurrenciadeestetipodeproblemasesmuybaja.

5.9 FiguradeMrito8

El concepto defigura de mrito se usa principalmente en las vlvulas de haz electrnico como elklystronyelIOTynodebeconfundirseconeleficiencia,aplicableconmayorfrecuenciaalasvlvulasde rejilla (triodos y tetrodos).La eficiencia deun amplificador sedefine como la relacin entre la

potencia til de RF a la salida del amplificador, entre la potencia suministrada por la fuente de

alimentacin.Definidaenestaforma,laeficienciasiempreesmenorque1,yaquenotodalaenerga

de c.c. suministradapor la fuente se convierte en energatilde seal. Siemprehayprdidaspor

calentamiento. Por potencia til de seal se puede entender lapotenciapico o lapotencia efectiva opotenciapromedio.Porlogeneral,sedefineentrminosdelapotenciapromedio.Enlostubosdehazelectrnico,comolosklystronsylosIOTs,seprefieredefinirunafigurademritocomo:

100%PK

AV

PFOM

P= (5.8)

DondePPKeslapotenciapicodelasealentregadaalasalidayPAVeslapotenciapromediodelhaz

electrnico.Deacuerdoaestadefinicinnoesextraoobtenerfigurasdemritosuperioresal100%,lo

quenosignificaqueelamplificadorestgenerandomspotenciaquelaquelesuministralafuentede

alimentacin.Podradecirseque la figurademritodaunamedidade labondaddelamplificador

paragenerarpotenciatilde seal, en tantoque la eficienciadaunamedidade la energaque se

pierdeenelamplificadorenformadecalor.

5.10 Tubosdesalidainductiva(IOT)Enel tubodesalida inductivasecombinancaractersticasde los tubosderejillacomoel trodooel

tetrodo y de los tubos de haz electrnicomodulado como el klystron. El IOT fue concebido por

AndrewHaeff9en1939paraaplicacionesenradar,pocodespusdelainvencindelklystron.LaRCA

fabricalgunoen1940peronotuvomayoraplicacinnidesarrollo.EnlapocadelaSegundaGuerra

Mundialyaosposteriores losesfuerzos encaminadosaldesarrollodedispositivoselectrnicosde

alta frecuenciasecentraroncasiexclusivamentehacia los tubosdehaceselectrnicosmoduladosen

8 El trmino correcto en espaol es cifra de mrito, sin embargo, el uso comn ha hecho que se traduzca el trmino en inglsfigure, que siginifica tanto cifra comofigura, aqu hemos preferido seguir el uso comn.9 Haeff, A. V. "A UHF power amplifier of novel design.Electronics. p. 30-32, February 1939


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velocidadcomoelklystronyeltubodeondaprogresiva10(TWT).LaideaconcebidaporHaeffqued

prcticamenteolvidadahastafinalesdeladcadade1980.

Hastamediados de la dcada de 1960 en los amplificadores de potencia de los transmisores de

televisin,prcticamentesloseempleabantetrodoscapacesdeentregarpotenciashastadealgomsde10KW.Lostetrodossoneficientesyfiables,aunquesuvidatilnosueleexcederlas20000horas.

Losklystrons,porotraparte,sevenanutilizandoenradares,aceleradoresdepartculasysistemasde

comunicacionestroposfricasenlabandadeUHF(0.3a3GHz)ySHF(3a30GHz).Afinalesdelos

sesentas, con el aumento de las transmisiones de televisin en labanda de UHF, comenzaron a

utilizarse klystrons como amplificadores de potencia, con resultados bastante satisfactorios. La

gananciadeunklystronessuperioraladeuntetrodoysuvidatil,mayor.Enesapocalaeficiencia,

aunque un factor importante, no lo era tanto como ahora, ya que el costo de la energa elctrica,

aunquenadadespreciable,erabastanteinferioralactual.

LaescaladadelosconflictosblicosenOrienteMedioalolargodeladcada197080diolugaraun

considerableaumentode lospreciosdelcombustibley,porconsecuencia,de laenergaelctrica,demodoqueelcostoporelconsumodestaenlostransmisoresdealtapotenciaaumenttambiny,en

buenamedida,fuelacausadeacelerarlabsquedademejorasenlosdispositivosamplificadoresde

potencia para aumentar su eficiencia y su vidamedia til. Los klystrons haban demostrado ser

dispositivosfiablesymuyestablesensufuncionamiento,perosueficienciaesrelativamentebaja,por

lo general inferior al 40%, de modo que se trabaj intensamente en desarrollar klystrons ms

eficientes,dandolugaradostendenciasprincipales:eldesarrollodelklystrondecolectorescalonado,

yamencionadoenlaseccin5.7yelfuncionamientopulsante.

Lacausaprincipaldela,relativamentebajaeficienciadelklystron,esqueelhazelectrnico,acelerado

agranvelocidada lo largode laregindearrastredel tubo,seestrella ntegramenteenelcolector,

perdiendoporcompletosuenergaenformadecalor.Sielhazelectrnicopuedereducirseduranteciertos intervalosde la seal, obien frenarse, demodo que se reduzca la energa cintica delhaz

electrnico, seperdermenosenergaenel impactoy,porconsecuencia seconseguiraumentar la

eficiencia.Durantebastantesaoslosklystronssehacanfuncionaralmximodelacorrientedelhaz,

esdecir,asaturacin.Enmodopulsante, lacorrientedelhazesmximaenelpicode lospulsosde

sincronismoysereducedurantelasealdevdeo,conloqueselleganaobtenercifrasdemritodel

ordende77%11.Estaformadefuncionamientopulsadoseconsigueagregandounelectrododecontrol

delhazenlaregindelcanelectrnico,demodoquelacorrientedelhazpuedepulsarseentredos

valores,unomximo en lospicosde sincronismo yotromenor,durante elperodode la lneade

vdeo. Este modo de funcionamiento introdujo complejidades adicionales en el diseo de los

transmisoresque, sibienms eficientes, resultaronms carosy, adems, requerande ajustesms

complicadosparalograrelmximorendimientoyunfuncionamientoestablealargoplazo.

Tambinenesapocacrecilafabricacindetransmisoresconamplificadoresdepotenciadeestado

slido.Sinembargo,entantoquelosamplificadoresdeestadoslidocumplenlasnecesidadesdelos

transmisoresparapotenciashastadeunos30KWenelmodoanalgicoyunos4KWpromedioen

digital,nopuedenutilizarseapotenciasmayoresyaquesueficienciaesmenorysucostomayorque

eldelosdispositivosdevaco12.

Otrotuboquesedesarrollenesapocafueelklystrodo,nombreregistradopor laempresaEimac

que,demanerasimilaralIOTcombinatecnoclogasdelklystronydeltetrodo,deahsunombre,por

10 Pierce, J.R. and Field, L.M. Traveling-wave tubes. Proc. IRE, vol. 35, p. 108. Feb. 1947.11Engineering Handbook. 8th Ed. National Association of Broadcasters. Washington, 1992.12 Bel, C. UHF TV transmission using IOT amplifiers. Broadcast Engineering, 18 January 2005.


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loquehablardeklystrodoode IOT tieneprcticamente elmismo significado.En la figura5.24 se

muestranunIOTfabricadoporEnglishElectricValveyunklystrododeEimacDivision,CPIInc.

(a) IOT (b)Klystrodo

Fig.5.24.IOTyKlystrodo.

5.11 PrincipiodefuncionamientodelIOT13.Comoyasemencion,elIOTcombinavariosaspectosdelatecnologadeltetrodoydelklystronpara

dar lugar aun amplificadorde alta eficiencia, compacto y conun rangode frecuenciasque cubre

prcticamenteensutotalidadlabandadeUHF.Laprincipaldiferenciaentreelfuncionamientodeun

klystronyunIOTeselmtodoutilizadoparaconseguirlosagrupamientosdeloselectronesdelhaz.

EnunklystronelhazelectrnicosemodulaenvelocidadapartirdelacavidaddeentradadeRFyse

tienedespusunespaciodearrastreenelque loselectronesmsrpidosalcanzana losms lentos

formandogrupos,conloqueelhazresultamoduladoendensidad.EnelIOTelprocesoesdiferente.

LasealdeentradadeRFseaplicaentreunarejacercanaalctodoyste,conloqueseproduceun

hazelectrnicomoduladodirectamenteendensidadenlaregindelpropiocanelectrnico,como

seveenelesquemadelafigura5.25.

13 Heppinstall, R. and Cayworth, G. T. "The Inductive Output Tube - a Modern UHF Amplifier for Terrestrial Television

Transmitter. GEC Review. Vol. 13, N 2. pp. 76-85, 1998.


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Filamento calefactor

Ctodo (-30 KV)

Reja de control(-30 KV)

Choke de RF

Entrada de RFdel excitador

Placa para ajustede sintona de lacavidad

Placa para ajustede sintona dela cavidad

Cavidad de entradaCavidad de entrada

Choke de RF Anodo(conectado a tierra)

Haz electrnicohacia el colector

Fig.5.25.EsquemadelaregindelcanelectrnicodeunIOT

Eltubodesalidainductivaestformadoporuncanelectrnicoquecontieneunctodoemisorde

electrones y una reja de control, ambos de forma semiesfrica. Esta geometra propicia la

conformacindeloselectronesemitidosenunhazincipientequesevemoduladoendensidadporel

voltajedeRFinducidoentre larejayelctodomedianteunacavidaddeentradaexternaaltubo.El

haz as producido se enfoca y confinamediante un campomagntico generado por bobinas de

enfoque,tambinexternasaltubo.ElhazmoduladoporlasealdeRFesaceleradohaciaelcolector

deltuboy,asupasoporlacavidadresonantedesalida,cedeastapartedesuenergaquepasadela

cavidadalcircuitodesalidadel transmisor.El IOTcombina laelevadaeficienciadel tetrodocon la

elevadacapacidaddepotencia,largavidatilyfiabilidaddelklystron.

Seaplicaunvoltajefijodelordende 80Valarejaconrespectoalctodo,demodoqueenausenciade

sealfluyeunacorrientehaciaelnododealrededorde500mA.Elctodo,demanerasemejanteal

klystron, semantiene a un potencial negativo del orden de 30KV, con lo que el haz electrnico

moduladoendensidadesaceleradoatravsdeunaaberturaenunnodosituadoenelpropiocan

electrnicoyconectadoapotencialde tierra,hacia laseccindesalidaenqueseextrae lapotencia

medianteunacavidadresonanteexterna,similara lausadaenelklystron,exceptoqueenelIOTse

utilizaunacavidaddedoble sintonapara conseguirelanchodebanda requeridoporuncanalde

televisin.Finalmente, laenergarestanteenelhazelectrnicosedisipaenuncolectordecobrede

diseotradicional,quepuedeserenfriadoporaireoagua,dependiendodelniveldepotenciadeque

setrate.LaestructurainternadelIOTseapreciamejorenlafigura5.26.


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Espacio al vacoen el interior delcolector

Anodo

Can electrnico

Circuito de

enfriamientodel colector

Circuito deenfriamientodel cuerpodel tubo

Tubo de arrastre

Colector

Fig.5.26.EstructurainternadelIOT.

Canelectrnico.

Estructuralmente, el can electrnico del IOT es similar al del klystron y continene un ctodo

cncavo, semiesfricode tungsteno como semuestra en la figura5.27.Este tipo ctodo sedesigna

comodispensadorodistribuidorenelsentidodeque,porsugeometra, laemisinelectrnicase

orientahaciaelcentrodeltubo,facilitandoaslaconformacindelhazelectrnico.

Fig.5.27.EstructuradelctododeunIOT.

Larejadecontrolesdegrafitopiroltico,una formadecarbn fabricadapordescomposicindeun

hidrocarburogaseosoamuyaltatemperaturaenunhornoalvacoloquedalugaraunproductomuy

puroconuncoeficientedeexpansintrmicaprcticamentenulo14,15deelevadaconductividadygran

14http://www.advceramics.com/geac/products/pyrolytic_graphite/. (31 enero 2005).15http://www-edd.tw.1-3com.com/edd/html/news/news_pyrolytyc.htm. (31 enero 2005).


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resistenciamecnica,loquelohaceidealparaestaaplicacin.Larejaesdelamismageometraqueel

ctodo, esdecir, semiesfricaymuy cercanaa ste, situada congranprecisin aunadistanciadel

ordendeunasmilsimasdepulgadaysoportadaporunaestructuracilndricametlica,aisladadel

ctodoporunaisladordecermicaquetambinformapartedelcuerpodeltubo.Laestructuradela

rejaseilustraenlafigura5.28.

Fig.5.28,EstructuradelarejadecontroldeunIOT.

EsatravsdelacermicaaislanteentrerejayctodopordondeseacoplaaltubolaenergadeRFdel

circuitode entradaparaaplicar elvoltajedeRFa la reja.Estevoltaje inducido entre rejay ctodo

modula la densidad del haz electrnico, cuya seccin transversal es de pequeo dimetro a

consecuenciadelcampomagnticodeconfinamientoproducidopor lasbobinasexternas.Elhazas

formado es relativamentehueco yaque los electrones se concentranms en laperiferia que en el

centro,comoresultadonaturaldeloscamposelectrostticosqueconformanelhaz.Estoseilustraenla

figura5.29.

Trayectoria helicoidalde los electrones

La fuerza sobre loselectrones se dirigeradialmente hacia el

centro

Lneas de flujo

Fig.5.29.Conformacindelhazelectrnico.

Unsegundoaisladordecermicasoportatodoelcanelectrnicoa ladistanciacorrectadelnodo

aterrizado.Ladiferenciadepotencialentreelnodoyelctodoesdelordende30KVosuperior.El

espacio entre reja y ctododel can electrnico forma la parte finaldeuna lnea de transmisin

complejadesdeelconectordeentradadeRFalsistemade lacavidaddeentrada.Laestructuradel

canelectrnicoseilustraesquemticamenteenlafigura5.30.


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CircuitodeentradadelIOT.

El circuitode entradadel IOT consistede la cavidadde entrada, externa al cuerpodel tuboydel

canelectrnico,enel interiordeltubo.LasealdeRFseaplicaa lacavidaddeentradamediante

una espira abierta, como se aprecia en la figura 5.25. En el interior de la cavidad de entrada seencuentraunapaletamvily,ensupartesuperiorunstubencortocircuitoparaajustarlaimpedancia

de entrada a resonancia a la frecuenciadeseada.El campogeneradopor la seal en la cavidadde

entradainduceunvoltajeentrelarejayelctododeltubo,quecausalamodulacinendensidaddel

hazelectrnico.LaprincipaldiferenciaentreelIOTyelklystronresideenqueenestetimonohay

rejadecontrol,demodoqueelcampogeneradoenlacavidaddeentradamodulaalhazenvelocidad,

noendensidad.LarejadecontroleslacaractersticacomnentreelIOTyeltetrodo.

Electrodos de enfoque

Ctodo

Anodo

Bobina magntica

Reja

Piezas polares

Lneas del campomagntico

Haz electrnicoTubo de arrastre

Fig. 5.30.EstructuraesquemticadelcanelectrnicodeunIOT.

En losklystronsgeneralmente seutilizan cavidades resonantes externasal cuerpodel tubo,por lo

general,partidasparapermitir su colocacinalrededordesteyatornillarse luegopara formarun

solocuerpo.Lacavidadmscercanaalctodoeslacavidaddeentrada.Cadaunadelasmitadesdela

cavidadtieneensuinteriorplacasopuertasdeslizantesafindeajustarlasparaconseguirlasintona

deseada.EnelIOTseempleaunaestructurasimilar,conunadiferencia,yaquelaparedinteriordela

cavidadtienequeconectarseentreelctodoylareja,doselectrodosquesemantienenaunpotencial

altamentenegativo, en tantoque lapared exteriorde la cavidaddebe conectarse a tierra.Por esta

raznenlacavidadesnecesarioincorporarchokesdeRFentresuspartesexternaeinterna,comose

ve

en

la

figura

5.25,

con

el

fin

de

por

una

parte,

proporcionar

el

aislamiento

necesario

entre

las

dos

partesy,porotraimpedirfugasdecorrientedeRFmanteniendoalmismotiempotodoelvoltajedel

haz electrnico. Esta condicin impone requisitosmuy severos para la eleccin de losmateriales

aislantesde los chokes,quedebenproporcionarunaislamiento totala la corriente continua en las

condicionesdehumedadytemperaturaqueprevalecenenelambientedeltransmisor.

Consideracionessobreelfuncionamientodelctodo.

A fin de conseguir la mxima emisin termoinica del ctodo, a una temperatura de

aproximadamente1100C,elctododelIOTestconstituidoporunabasedetungstenopuro,relleno

dexidosdebario,calcioyaluminio,reforzadoporunafinapelculadeunoscentenaresdeangstroms

(1010

m)

de

espesor,

que

contiene

osmio,

iridio

y

renio,

lo

que

da

como

resultado

una

funcin

de

trabajomuypequea.Laemisividadtrmicadelctodoes,porconsecuencia,muyelevada.


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Paracualquiertubotermoinico,lavidatildependeprincipalmentedelacapacidaddeemisindel

ctodo.Si latemperaturade funcionamientodelctodoesmuyelevada,seproduceevaporacinde

los materiales emisores de su superficie, con abundante produccin de iones que deterioran el

funcionamiento y reducen considerablemente su vida til. Si hay evaporacin, parte delmaterial

evaporadosepuededepositarenlareja,dandolugaraemisinsecundariayaemisinporcampoquepuede causar eldesbocamiento incontroladode la corriente delhaz. Los vapores tambinpueden

depositarseen lapared interiordecermicaqueaslaalcanelectrnicodelnodo,reduciendoel

voltajederuptura,conelriesgopotencialde la formacindearcos internosentre rejaynodoque

puedeninutilizareltubo.

En el aire, o en un vaco pobre, los electrones slo pueden viajar distanciasmuy cortas antes de

recombinarse o chocar con otraspartculas en elmedio. En los tubos de vaco y, en particular en

klystrons e IOTs, los electrones deben viajar distancias considerables sin que ocurran colisiones

significativasconotraspartculas,por loque se requiereunaltovaco enel interiordel tubo.Siel

vacoespobre,osiseproduceunarco,seproducentambinionesqueporlapolarizacindelctodo,

impactanenste,reduciendosucapacidaddeemidsinodandolodefinitivamente.Paraevitaroreduciralmximoestasituacin,seutilizancircuitosdeproteccinquecortanelfuncionamientodel

IOTparaevitardaosmayores.Unadelasrutinasimportantesenelmantenimientopreventivodelos

amplificadoresdepotenciaconIOTsyklystronseslacomprobacinycalibracinperidicadeestos

circuitosdeproteccin.

Manivela paraajuste de s intonade la cavidadde salida

Cavidad primariade salida

Acoplamientode banda ancha

Cavidad secundariade salida

Stub de ajuste parala seal de entrada

Carro desoporte

Excitador deestado slido

Cavidad de entrada

Parte de la cavidadde entrada de pequeodimetro

Circuito de enfriamientopara la cavidad de saliday el can electrnico

Bobina de enfoque

Lazo de acoplamientode salida

Fig.5.27.MontajecompletodelIOTencarrotransportable

parafacilitarsumontajeeneltransmisor.

Papeldelnodo.

EnlostubosdehazcomoelklystronyelIOTelnodonotienelamismafuncinquelaplacaenlos

tubosderejilla,enlaqueacabantodosloselectronesprocedentesdelctodo.Enestostubosdehaz,el

nodoactaslocomounaceleradordeloselectronesemitidosporelctodoyconfinadoenunhaz

de pequea seccin transversal, en parte por la geometra del ctodo o del can electrnico y

principalmenteporelcampomagnticoproducidoporlasbobinasdeenfoque.Elnodo,bienseade


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forma cilndricaocnica,huecoenel centro,aceleraa los electronesprcticamente sinatraerlosni

dispersarelhaz.

La corrientedelhazmodulado endensidad seacelera, en la regin entre el can electrnicoy el

nodo,desdeunaenergadeunospocoselectrnvoltshastaunaenergatotaldedecenasdemilesdeeV,alcanzandounavelocidaddealrededorde1/3delavelocidaddelaluzenelcortoespacioentre

reja y nodo. En estas condiciones la energa del haz es considerablementemayor que la energa

requeridaparamodularelhazenlarejadecontrol,delordende26dBoms.Laenergacinticayla

velocidadde cada electrn en el haz esbsicamente lamismamientras el haz est en la zona de

arrastredelnodo,peroladensidaddelhazvarasegnlamodulacinaquefuesometidoporlareja

decontrol.Elhaz,aceleradoagranvelocidadpasaatravsdelinteriorhuecodelnodohaciaeltubo

dearrastrea lasalida,endireccinalcolector.Laresistenciaefectivadelhaz,operveancia16cambia

conlamodulacinyduranteelciclodeRF,yaqueelhazsiempreestaceleradoalmismopotenciade

c.c.

Cavidaddesalida.

La energadelhaz se extrae en la aberturaoventana (gap)de salida,que esdonde los electrones

agrupadosdelhazsalendeltubodearrastrehaciaelcolector.Laventanadesalidaselocalizacercade

la parte superior central de la cavidad primaria de salida. El haz electrnico transfiera una parte

considerabledesuenergaaestacavidadresonante,enformadecampoelectromagntico.Eltrabajo

realizadoenestatransferenciadeenergareducelaenergacinticadelhazyelvoltajepresenteenel

espacio de la ventana de salida es funcin de la potencia almacenada en la cavidad y de la

resistenciarelativadelaventanaque,asuvezdependedelasintonadelavidadydelapotencia

delhaz.Apotenciaselevadas,laresistenciadelaventanaesmenorytambindisminuyeconelancho

debanda.

Unrequisitoimportanteenlostubosqueempleancavidadesresonantesesconseguirenellaselancho

debandanecesario,enestecasode8MHzparalasealanalgicaPALoladigitalDVBTobiende6

MHzparasealesNTSCoDTV.Enelklystron,lascavidadessesintonizandeformaescalonadacuyo

principioseilustraenlafigura5.28.

Respuesta individualde cada cavidad

Respuesta del conjuntode cavidades

Ancho de bandadel conjunto

f1 f2 f3Frecuencia

Fig.5.28.Principiodelasintonaescalonada

Cada cavidad sesintonizaauna frecuencia ligeramentedistintaa laotrascavidades,con loque se

consigueunarespuestaprcticamenteplanaenlabandadepaso.Enelklystronestoesrelativamente

16 La perveancia se define como la corriente de ctodo, limitada por la carga de espacio, dividida por el voltaje del nodo

elevado a la potencia 3/2.


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simple,yaque se tienen tresocuatro cavidades,perono lo esenel IOTenquenohay cavidades

intermedias entre lade entrada y la de salida. Para evitar esteproblema en el IOT se utilizauna

cavidaddesalidadoblementesintonizada.Estacavidadest formada,dehecho,pordoscavidades

convencionales,dispuestasortogonalmente,comosepuedeapreciarenlafigura5.27.Laprimerade

estas dos cavidades se designa como cavidad primaria y est fija alrededor del cuerpo del tubo.Contieneunaespiramediante laque sepuedeajustarelacoplamientodeRFa la segundacavid

Válvulas Electronicas de Transmisión

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